1 概述
利用生物质生产生物燃气 （ 又名沼气） 作为一种替代能源，已经得到世界各国的高度重视。欧洲国家在生物质厌氧消化方面，走在了世界前列，不论是技术研发、政策的制定实施，还是将成果转化为经济、环境和能源效益，都极具有模范价值。
其一些大型沼气工程主要消化原料为： 禽畜粪便、农作物秸秆、城市生活垃圾中的有机组分[1].这些国家中，德国农场沼气工程的迅速发展，成为了世界上最大的生物燃气生产地。这主要是因为其一系列优惠鼓励政策的出台，为沼气工程的发展创造了极好的法律环境。该国多次修订 《可再生能源法》，鼓励沼气发电上网的一系列配套政策相继出台。其沼气工程最重要的混合消化原料是能源作物，在整个沼气发酵潜力组成中，有超过50% 的沼气潜力来自能源作物[2,3].
截止到 2011 年，德国约有 7000 座沼气工程[4].截止到 2010 年，沼气发电总装机容量达2300MW,年发电量为 200 亿 kW·h ,占整个德国发电量的 1. 5%.目前，德国对沼气的利用由直接驱动发电机组的热电联产，开始向生产管道生物天然气及车用燃气方向转变[5].
近年来，我国农村沼气事业也得到了快速发展，以沼气为纽带的各种类型能源生态模式和工程技术得到了政府的大力支持，中央每年投入大量专项资金予以扶持[6].表 1 显示了 2001-2009 年我国每年大中型沼气投资与建设数量。“十一五”以来，中央为农村沼气建设投资资金达 212 亿元，中央投资政策的带动，加上各方面共同努力，农村沼气实现了跨越式发展，成为新时期最重要的民生工程之一和新农村建设的一大亮点[7].在国家的生态文明建设总体要求下，农村环境保护、废弃物综合利用等越来越得到各级政府的重视。
在政策鼓励和财政支持的双重作用下，沼气事业取得了举世瞩目的成就。但面对环境与生态效益越来越高的要求，我国农村沼气工程建设中还存在一些问题，比如： 相关管理和政策有待完善； 设计还不够科学规范、施工不到位； 工程运行效率不高，“三沼”高效利用率较低； 运行管理及后续服务不到位； 建设资金来源渠道单一； 沼气市场机制不健全； 甚至工程建成后长期不运行、设备闲置等[8].
这已引起各级政府、农村能源主管部门和广大科技工作者的重视。本文拟通过对安徽省大中型沼气工程进行调研，系统地总结其发展状况，对存在的问题进行分析，并给出建议，从而促进沼气建设工作更健康有序地开展。
2 安徽省大中型沼气工程发展现状
2. 1 工程项目建设成效
在全国来说，安徽省是较早开发利用沼气的省份之一，始于 20 世纪 30 年代； 20 世纪 50 年代后期，全省掀起了第一次群众性大办沼气热潮。1958年12 月，中国农业科学院在阜阳县建立安徽乃至中国第一个沼气研究所，1960 年 5 月，董必武副主席视察阜阳沼气利用情况时指示说 “积肥和制气结合，既解决燃料又提高肥效，可以大量推广”.纵观安徽农村沼气的发展历程，曾经历了 “三起两落”.1998年8 月，安徽省人大颁布了 《安徽省农村能源建设与管理条例》，标志着安徽省农村沼气建设步入法制化管理的轨道。从2009 年起，农村沼气建设被纳入全省民生工程，省财政每年安排 8000 万元左右配套建设资金。由于国家和地方各级政府对农村沼气建设逐年加大投入，安徽省农村沼气建设步伐加快，取得了较为显著的成效。据安徽省农村能源总站提供的统计数据，2005 年到 2012 年，安徽省共承担建设国家大中型沼气项目 164 处 （ 表 2） ,厌氧发酵装置总池容约13 万 m3,年产沼气达2124 万 m3,折算标准煤1. 5 万 t,减排 CO2气体4. 18 万 t[9]; 在国内属于中上游发展水平，目前全省农村沼气工程项目正稳步开展。
2. 2 工程建设及运行模式
安徽省的大中型沼气工程主要以畜禽养殖场沼气工程为主，采用的建设及运行模式由农业部推荐，98%以上的工程主要模式为 “能源生态型”,即畜禽粪便和污水经厌氧消化后，产生的沼气全部作能源利用，沼液、沼渣作为农田肥料利用的处理工艺。极少一部分为 “能源环保型”,即将厌氧消化液处理后达标排放或以回用为目标的处理工艺。
2. 3 生产工艺
从厌氧反应器类型来看，“能源生态型”模式中，主要为完全混合式厌氧反应器 （ CSTR） 、升流式固体床 （ USR） ,因为这两种类型可以进入高悬浮固体含量的原料，适用于养殖场畜禽粪便这种底物。也有少部分使用推流式反应器 （ PFR） ,尤其适用于牛粪的厌氧消化。 “能源环保型”模式中，主要使用上流式厌氧污泥床 （ UASB） ,这种工艺是在周围没有足够土地消纳沼液的情况下使用的，例如城乡接合地带，但是由于这种工艺设备投资大，运行管理要求较高，选择建设的业主不多。两种工艺流程如图 1、图 2 所示。
2. 4 “三沼” 利用情况
沼气的利用上，80% 工程将沼气用于发电，限于养殖场区内使用，装机容量多在 60 ~100kW,个别较大工程发电装机容量在 500 ~1000kW,主要自用； 10%的工程将其用于烧锅炉，给场区生产供热；约5%的工程作集中供气，供给周围的农户使用。
沼渣、沼液的利用，方式较为粗放，主要为沼渣、沼液经过堆肥或长期贮存，作为肥料，通过签订合同，收取一定费用，出售给周围的农户，作田地、果园、鱼塘的肥料，在供大于求的情况下，将不收取费用。为了储存沼肥，沼气站会配备储肥池，定期向池里储肥，经过一段时间的贮存，通过管道或运输车，再运往农田、果园的地头储肥池，以备农户用肥之需。也有一部分工程是按照项目设计要求，进行商品化有机肥生产加工。具有代表性的为六安市的亿牛乳业有限公司，该奶牛场建设了日处理粪便污水 280t 的大型沼气工程，沼气用于发电供生产自用，并配置了具有年产 6 万 t 有机肥生产线，可生产系列配方有机肥，商品化销售。除利用沼渣、沼液为原料外，每年投资 500 多万元收购农民田地间废弃农作物秸杆 3 万多 t,作为奶牛养殖粗饲料和有机肥加工原料，结束了当地农民焚烧秸杆的状况，仅此一项每年可为每户农民增加收入近 2000 元。
2. 5 政策与措施
安徽省农村沼气 “十二五”规划中指出，“十二五”时期，安徽省将以节能、环保、效益为目标，重点发展大中型沼气工程，广泛开展沼气、沼渣和沼液的综合利用，积极推进沼气产业化体系建设。到 2015 年，将新建大中型沼气工程 700 处，总投资 21 亿元； 项目资金由中央投资、地方配套、业主自筹三部分构成。自 2009 年以来，农村大中型沼气工程，每处工程平均按 350 万元投资建设，其中争取中央补 助 140 万 元 （ 约 占 总 投 资 的40% ） ,省财政补助 15 万元，县财政补助 15 万元，其余资金 180 万元由企业自筹。
3 安徽省大中型沼气工程存在的主要问题
3. 1 产品利用领域有待开拓
沼气利用上，普遍存在着产多少气用多少气的现象。有些沼气站由于沼气利用设备有限，在夏季产气高峰，会将多余的沼气随意排放到大气中。
CH4的温室效应是 CO2的 25 倍，还会造成安全隐患。另外，有的沼气站沼气利用只配锅炉，没有其它用气设备，受到季节限制： 夏天气温高，产气多，锅炉可利用性却不大； 冬季需要锅炉，但是产气不足。
沼肥的利用，项目规划设计一般为： 沼液做农田液肥施用，沼渣作有机肥生产加工。实际上，除了牛粪，鸡粪、猪粪都存在着固液分离效果差的问题，真正按商品化有机肥生产的较少。用肥也存在季节性问题，一些沼气站由于储存池容积建设有限，到了用肥淡季，就会出现向自然界任意排放的现象。
3. 2 运行管理人员业务素质有待提高
工程运行管理较为粗放。安徽省农村能源主管部门要求每个沼气工程必须要有经过技术培训的 2名以上人员持证上岗，实际上养殖场沼气工程运行操作管理人员通常不固定，存在培训后对拿到上岗证的人管理不善，由他人顶替的现象。管理方面，大的事故基本上没有，小的问题频频出现，如工程管理员加料不慎，使得沼气站数月无法运行； 脱硫剂到了更换时间，操作管理人员不了解或业主为了节约成本不更换，造成沼气中的硫化氢过量腐蚀设备，损坏发电机等； 沼气站设有配套增温设施，要求冬天对发酵液增温，但若原先配备的锅炉不启动，装置便得不到高效运行； 有的沼气站未设围墙，任人随意走动，甚至有在沼气站随意抽烟的现象等，造成安全隐患。
3. 3 工程设备与控制不够先进
大多数沼气工程的设备都不是成套的。站内设施摆放较零散，不够紧凑，占地面积大，也造成一次性投资大。布局很多未达到农业部沼气工程行业规范要求，消防、气象等必要设施的配备也很不规范。有的制气设备甚至属于非标产品，防腐、耐压的设备大多数未经检验就使用。
工程的运转，缺乏在线监测系统。沼气控制工程是一个复杂的工程，目前运转的沼气站大多只采用简单的继电器逻辑控制，自动化程度低，只能处理一些开关量问题，无法在线监测并调节整个工程，并且电气线路复杂，可靠性不高，不便维修。
同时由于一些较重要的数据不能适时记录和统计，使得沼气工程不能方便快捷地运行，并易造成劳动力、原料等资源的浪费。另外，由于工程运行过程中的工艺参数 （ 如发酵设施内物料的温度、pH、净化装置中内沼气的流量等） 不能在线显示，为了比较精准地控制运行条件，操作人员必须进行现场监测，继而增加了劳动强度，并且不便管理。
3. 4 工程项目建设程序有待深化改革
沼气工程建设必经的基本程序是： 提出项目申请和建议书→可研报告→立项评审→项目审批→初步设计→建设方建设→工程验收。其中，可研报告需要有相应咨询资质的单位编制，工程图纸设计需要有相应设计资质的单位承担出具，施工单位也需要具备相关的环保资质。
由于国内大中型沼气工程相关标准、技术规范出台相对滞后，一些咨询与设计公司在环境保护领域涉及的面较广，对某个方向的工艺、技术了解不够深入，缺乏某些领域的敏锐性、高端性，造成在做可研与设计时，出现不能按实际情况科学设计的现象，例如用相同的工艺方案来处理鸡粪、牛粪这两种不同的原料。因沼气工程利润少，一般规模较大、有资质的环保施工企业不愿承担，目前承担农村大中型沼气工程的施工企业，主要是由各地长期从事农村沼气建设骨干技术人员组织建立的施工公司。按现行的建设主管部门提出的环保工程资质申报条件和要求，想获取相应等级资质很难，这些都造成了某些环节的脱节与矛盾。
4 对策和建议
4. 1 技术层面
4. 1. 1 原料
厌氧消化最合适的碳氮比在 20 ~ 30∶1,畜禽粪便含氮量较高，可通过添加秸秆等含碳量较高的生物质改善碳氮比，同时添加其它组分也增加了有机质的含量。相关研究表明，若以畜禽粪便为主要原料，以粉碎的农作物秸秆为辅，配合添加少量青草等，其装料成分愈多样化，启动愈不易出现偏差[10].安徽省多数沼气工程依托于畜禽养殖场建设，原料来源单一，仅为畜禽粪污，可通过添加秸秆、污泥、蔬菜垃圾等进行混合发酵，提高产气率。
4. 1. 2 发酵设施
当前，为了提高沼气的生产能力，高固含量的生产工艺越来越普遍使用，与之相配套的发酵罐体和输送、搅拌设备等亟待开发。可以走自主研发和引进相结合的道路。对于关键的部件如凸轮转子泵和高密度固体泵可从欧洲引进，满足输送物料的TS 25% ~ 40% 的要求[11].针对工程设施不紧凑，占地面积大等问题，可引进一体化沼气发酵装置。
产气、贮气一体化厌氧发酵罐，是目前欧洲常见的应用最多的新型、高效、实用工艺。
4. 1. 3 过程控制
需要研发或者引进 PLC 可编程控制系统，对沼气工程的进料、发酵、净化系统等进行控制，在线监测工艺参数，提高沼气工程的自动化水平，降低工人的劳动量与运行成本。
4. 2 经济层面
积极引导沼气产品的市场化利用。沼气是一个清洁能源，可以替代很多现行的能源，比如产品可以经过预处理作为城市民用气体来源，城市车载气源，也可以是热电联产发电厂的能源材料等。解决了发酵产品的出路问题，获得持续的经济效益，才能保证沼气厂的持续运行。
同时，还要考虑原料的成本问题，可在某些原料来源丰富、自然条件允许的地区建立大型的沼气示范工程，这样既可以充分利用当地资源，也节省了运输成本。
可效仿沼气示范工程做的较好的案例，如北京德清源 1 万 m3大型鸡粪沼气并网发电工程、房山区沼气供气工程、山东民和牧业 2 万 m3沼气发电工程等。另外，位于德国下萨克森州哥廷根市的“云德生物能源村”也非常有借鉴价值，他们把农作物、牲口粪便等生物质集中混合，进行厌氧发酵，所产生的沼气进行发电； 沼气燃烧过程中产生的热能，一小部门回收再利用于发酵过程，绝大部门用于村民屋内的供暖； 并采用木材碎屑燃烧供暖，以备在高峰期弥补沼气发电产热的供应量不足： 在此基础上实现了全村能源的自给自足，节省了村民们很大一部分开支。
4. 3 制度、政策层面
4. 3. 1 建立大中型沼气工程专项管理和监管制度
目前，全国已经有一半以上的省市出台了专项管理的法规或办法，安徽省农村大中型沼气工程发展中缺乏权威的、针对性和可操作性强的管理办法。为了促进和保障安徽省农村大中型沼气的持续健康发展，亟需出台一部大中型沼气工程的专项管理规章制度和管理办法，规范项目管理和监管，细化明确各部门职责，积极推进沼气工程的持续有效运行。
4. 3. 2 引进市场化、商业化的激励机制
目前农村大中型沼气工程已经出台的政策都是给建设环节补贴，还未涉及到建完后是否稳定正常运行的管理制度，所以形成了重建设、轻管理的思想。如要改变这种现状，充分发挥项目的作用，需要依据安徽省的实际情况，结合国家的政策，尽快研究出台相关市场化运营、商业化管理的激励政策，鼓励更多专业的沼气公司通过合同制来建设、经营和管理沼气站，加大沼气站的专业化、社会化服务，使沼气站商业化运行。
4. 3. 3 加大科技投入，引资引智
国家以及省相关部门应当加大科技投入，引资引智，借助外商投资带来的管理制度、技术、人才等资源，规范、提升、完善自己的管理水平、技术能力。
开展国际合作，引进国际先进技术是当务之急，应坚持自主研发与引进消化吸收相结合的技术路线，积极开展对外交流与合作，鼓励科研院所、高校开展生物质厌氧产沼气技术的研究，加强企业与科研单位的交流，培养厌氧技术领域的人才。
参考文献：
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